PLC系統(tǒng)在造紙廠生產(chǎn)過程和傳動控制中的冗余設(shè)計淺析

1 引言

造紙廠PLC控制系統(tǒng)主要用于集散控制和傳動控制，如下圖1所示。集散控制主要包括制漿流程、造紙流程和倉儲流程；傳動控制則以造紙機的分部傳動為主。

圖1 造紙PLC控制系統(tǒng)所針對的主要生產(chǎn)工藝

在造紙生產(chǎn)工藝的控制要求中，需要做到以下三點：

（1）造紙設(shè)備在啟停和運行過程中發(fā)生危機設(shè)備和人身安全的故障時，需要自動采取保護和聯(lián)鎖，防止事故的產(chǎn)生和避免事故擴大，從而保證正常啟停和安全運行；

（2）通過對造紙設(shè)備工作狀態(tài)和運行參數(shù)的嚴(yán)密監(jiān)視，發(fā)生異常時，即時發(fā)出報警信號，必要時自動啟動或者切除某些設(shè)備或者系統(tǒng)，維持原負荷運行或減負荷運行直至安全退出運行；

（3）造紙自動化的集散控制要求更快的速度、更有效控制與監(jiān)測、更高的數(shù)據(jù)處理能力和抗風(fēng)險能力，以及更高的集成能力。在這種情況下，僅靠提高控制系統(tǒng)硬件的可靠性來滿足上述要求是遠遠不夠的，因為PLC本身可靠性的提高是有一定的限度，使用冗余系統(tǒng)才能夠比較有效地解決設(shè)備安全問題，才能保障整個系統(tǒng)的安全與效率。

在冗余控制系統(tǒng)中，整個PLC控制系統(tǒng)（或系統(tǒng)中最重要的部分，如CPU模塊）由兩套完全相同的系統(tǒng)組成。兩塊CPU模塊使用相同的用戶程序并行工作，其中一塊是主CPU，另一塊是備用CPU；主CPU工作，而備用CPU的輸出是被禁止的，當(dāng)主CPU發(fā)生故障時，備用CPU自動投入運行。

本文將主要討論造紙廠PLC系統(tǒng)的冗余配置和應(yīng)用。

2 西門子PLC控制系統(tǒng)的冗余配置

2.1 冗余原理配置

造紙廠的西門子冗余系統(tǒng)由A和B兩套PLC控制系統(tǒng)組成。開始時，A系統(tǒng)為主，B系統(tǒng)為備用，當(dāng)主系統(tǒng)A中的任何一個組件出錯，控制任務(wù)會自動切換到備用系統(tǒng)B當(dāng)中執(zhí)行。這時，B系統(tǒng)為主，A系統(tǒng)為備用，這種切換過程是包括電源、CPU、通訊電纜和IM153接口模塊的整體切換。系統(tǒng)運行過程中，即使沒有任何組件出錯，操作人員也可以通過設(shè)定控制字，實現(xiàn)手動的主備系統(tǒng)切換，這種手動切換過程，對于控制系統(tǒng)的軟硬件調(diào)整、更換、擴容非常有用。圖2為西門子冗余結(jié)構(gòu)示意。

圖2 西門子PLC冗余結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)保護系統(tǒng)所需的輸入輸出點數(shù)、節(jié)點容量、系統(tǒng)功能等要求，可以使用兩個西門子S7-300或者S7-400做冗余CPU。特別應(yīng)當(dāng)注意的是冗余系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)使用有源總線模板的導(dǎo)軌及有源總線模板。其中冗余系統(tǒng)中主備系統(tǒng)的切換時間按照以下公式計算：主備系統(tǒng)的切換時間=故障診斷檢測時間+同步數(shù)據(jù)傳輸時間+DP從站切換時間。

如果CPU的故障是停機或斷電，則故障診斷為大約100～1000毫秒，如315～2DP同步1000字節(jié)的數(shù)據(jù)所需的時間大約為200～300ms，8個DP從站的切換時間在100ms左右。

無論控制程序循環(huán)掃描到哪里，當(dāng)前激活的系統(tǒng)（即主系統(tǒng)）隨時都會接收并處理報警，這樣，在主系統(tǒng)A與備用系統(tǒng)B進行切換過程中產(chǎn)生的報警存在被丟失的可能。在冗余系統(tǒng)進行工作時，A、B控制系統(tǒng)（處理器，通訊、I/O）獨立運行，由主系統(tǒng)的PLC掌握對從站中的I/O控制權(quán)。A、B系統(tǒng)中的PLC程序由非冗余（non-duplicated）用戶程序段和冗余（redundant backup）用戶程序段組成，主系統(tǒng)PLC執(zhí)行全部的用戶程序，備用系統(tǒng)PLC只執(zhí)行非冗余用戶程序段，而跳過冗余用戶程序段。

2.2 S7-300冗余程序的設(shè)計

（1）系統(tǒng)配置

中小紙機的控制系統(tǒng)可以采用S7-300冗余配置，如2640/320低定量涂布造紙機。它是由兩套S7-300系統(tǒng)組成，實現(xiàn)主機冗余和通訊冗余，兩套CPU315互為熱備，當(dāng)系統(tǒng)正常時一個工作、另外一個處于備投狀態(tài)，兩個CPU315中的數(shù)據(jù)保持一致；當(dāng)運行中的CPU315出現(xiàn)故障時，另外一個CPU315自動投入運行，確保系統(tǒng)的正常運行。

系統(tǒng)采用多個分布式輸入輸出I/O站ET200M，每個ET200M上有兩個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模塊IM153-2，通過ProfiBus-DP總線與CPU連接。上位監(jiān)控采用CP5613通訊卡與S7-300連接。圖3為PLC系統(tǒng)原理。

圖3 PLC系統(tǒng)原理

圖3中，造紙機的自動化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)：主機架電源、背板總線等冗余；PLC處理器冗余；PROFIBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)冗余（包括通訊接口、總線接頭、總線電纜的冗余）；ET200M站的通訊接口模塊IM153-2冗余。

中小型紙機的PLC自動化冗余控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下功能：

① 上漿流送系統(tǒng)；

② 損紙系統(tǒng)；

③ 化學(xué)品系統(tǒng)；

④ 水系統(tǒng)；

⑤ 蒸汽冷凝系統(tǒng)；

⑥ 倉儲系統(tǒng)；

⑦ 傳動控制系統(tǒng)等。

（2） 硬件組態(tài)

先在“Hw Conifg”中分別下裝硬件，然后打開“Netpro”，建立同步聯(lián)接。

再分別向兩個CPU下裝。

（3） 軟件編程

為了使系統(tǒng)在DP從站故障時不會造成CPU停機，除了OB86外還需使用以下組織塊。

OB80 主—從切換時循環(huán)時間超出；

OB82 冗余備份DP從站上的某一模件的診斷報警；

OB83 DP從站接口上的模件連接中斷/重新連接報警；

OB85 當(dāng)DP從站接口故障時運行出錯；

OB87 通訊故障；

OB122 外設(shè)訪問出錯。

輸出地址連續(xù)，不包括CP和FM模件。

每個DP從站最大輸出范圍32個字節(jié)。

2.3 S7-400系統(tǒng)配置

對于高速中大紙機，為保證高度的可靠性和穩(wěn)定性必須采用高速度、大容量的冗余控制器，如西門子S7-400H。圖5為典型的冗余系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。它通過以太網(wǎng)絡(luò)將上位計算機系統(tǒng)和現(xiàn)場控制點緊密的結(jié)合為一個整體，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。在這樣高速傳輸網(wǎng)絡(luò)上，可以很方便的利用PLC系統(tǒng)所特有的功能，實現(xiàn)對整個造紙控制系統(tǒng)的集散控制和傳動控制功能。

圖5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)是基于西門子全集成自動化概念的系統(tǒng)，同時采用上位機WINCC作為操作和監(jiān)控的人機界面，其冗余功能包括：

（1）控制器冗余，可以實現(xiàn)雙控制器冗余切換功能，S7-400H CPU之間用光纖連接，實時保持在線備份，當(dāng)主CPU出現(xiàn)故障時，另外一個CPU在線自動接替主CPU進行工作，切換時間為毫秒級；

（2）通訊冗余，ProfiBus-DP網(wǎng)采用兩個分別獨立的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，組成ET200M I/O站冗余通訊，實現(xiàn)與雙控制器的冗余通訊；

（3）電源冗余，10A直流電源冗余配置，用于CPU和模塊供電。

S7-400H的冗余控制系統(tǒng)在造紙廠應(yīng)用中可以采用客戶/服務(wù)器的結(jié)構(gòu)，以集中的、從上到下的組態(tài)方式實現(xiàn)造紙控制系統(tǒng)的友好人機界面。它具有開放的結(jié)構(gòu)，可以同管理級進行通訊，也可以同現(xiàn)場總線技術(shù)融為一體。

3 施耐德PLC控制系統(tǒng)的冗余配置

3.1 系統(tǒng)配置

除了西門子PLC冗余系統(tǒng)，在造紙廠控制系統(tǒng)考慮可靠性、安全性、兼容性的因素情況下，PLC還可以選用施耐德公司Quantum Unity系列產(chǎn)品。由圖6可知該造紙系統(tǒng)由光纜、工業(yè)交換機、冗余PLC構(gòu)成100M以太冗余環(huán)網(wǎng)，冗余PLC系統(tǒng)對流送系統(tǒng)、水系統(tǒng)、蒸汽冷凝系統(tǒng)、損紙系統(tǒng)等進行控制，交換機選用TP-TX/TX系列499NES07100，集線器選用3TP/2FL系列499NEH00410。

圖6 系統(tǒng)配置

3.2 系統(tǒng)軟件配置及功能

3.2.1 冗余系統(tǒng)的切換

造紙控制系統(tǒng)采用的是冗余PLC系統(tǒng)，其切換功能包括：當(dāng)主控PLC發(fā)生故障時，自動將數(shù)據(jù)流、程序邏輯切換到冗余備用PLC；當(dāng)系統(tǒng)啟動時，自動決定PLC的主/備狀態(tài)；當(dāng)主控PLC從故障中恢復(fù)后，自動解決PLC間的狀態(tài)沖突。

為了確保在實際運行的冗余切換問題，必須對冗余CPU切換進行測試，包括兩種：

一種是利用CPU控制器前面板鍵盤熱備子菜單進行切換：

（1）鍵盤切換

① 操作主控制器鍵盤；

② 進入PLC操作菜單；

③ 進入熱備子菜單；

④ 進入熱備模式；

⑤ 將運行狀態(tài)改為離線狀態(tài)；（注意：確保備用控制器切換為主控制器）

⑥ 將離線狀態(tài)改為運行狀態(tài)。（注意：確保液晶顯示屏顯示“運行備用”）

另外一種是利用命令寄存器系統(tǒng)位％SW60.1或％SW60.2進行切換在切換過程中，必須觀察切換對I/O模塊的影響：

（2）寄存器切換

① 連接主控制器；

② 觀察主控制器的順序是A還是B（注意：用以下基中一個辦法來進行觀察）;

主控制器前面板鍵盤（PLC操作/熱備/熱備順序）

Unity Pro狀態(tài)對話械（當(dāng)在線連接時參考Unity Pro窗口底部）

③ 存取命令寄存器系統(tǒng)位；

%SW60.1（如果連接的主控制器順序是A）

%SW60.2（如果連接的主控制器順序是B）

④ 將位設(shè)備為0（注意：確認(rèn)備用控制器已切換為主控制器）；

⑤ 連接新的主控制器。

⑥ 存取命令寄存器系統(tǒng)位。選擇與步驟3中相同的位；

⑦ 將位設(shè)置為1（注意：確保備用控制器顯示“運行備用控制器”）；

⑧ 確保主控制器和備用控制器片于“運行主控制器”模式和“運行備用控制器”模式。

3.2.2 冗余系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理

在造紙系統(tǒng)冗余PLC系統(tǒng)運行中，在主控PLC和備用PLC之間自動同步實時數(shù)據(jù)（如圖7所示）；主控PLC發(fā)生故障時，自動將數(shù)據(jù)流切換到備用PLC，并將所有故障和切換信息記錄到備用PLC。這種實時更新以掃描周期為基準(zhǔn)，在每一個掃描周期后，主控PLC都會向備用PLC發(fā)送以下信息：定位變量、所有非定位變量、所有DFB和EFB類型實例、SFC變量區(qū)、系統(tǒng)位與字。

圖7 冗余系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

4 結(jié)束語

PLC系統(tǒng)在造紙廠生產(chǎn)過程和傳動控制中的冗余設(shè)計選型和應(yīng)用需要按照以下原則進行：

（1）按過程控制系統(tǒng)的控制規(guī)模和復(fù)雜程度

控制規(guī)模越大、復(fù)雜程度越高，則優(yōu)先選擇冗余系統(tǒng)和高速CPU系統(tǒng)，因為它能保證安全可靠性，并能對大量的模擬量數(shù)據(jù)信息進行實時處理、分析和運算，能完成各種復(fù)雜、繁瑣的調(diào)節(jié)控制計算。

（2）按投資規(guī)模和項目經(jīng)濟效益合理選擇

在一些中小型造紙廠項目中，投資規(guī)模較小，則應(yīng)優(yōu)先選用相對低廉、性價比好的中型PLC，包括國產(chǎn)中型PLC，因為目前的國產(chǎn)PLC也開始有了冗余系統(tǒng)。

（3）考慮到系統(tǒng)連續(xù)性、兼容性及通訊指標(biāo)

如原造紙廠項目已有PLC控制系統(tǒng)，要考慮到系統(tǒng)的連續(xù)性和兼容性。因為這些PLC廠家能在很多方面做到兼容性，并確保程序的順利轉(zhuǎn)換和冗余控制。

（4）考慮到系統(tǒng)生產(chǎn)廠家的技術(shù)服務(wù)性

由于在造紙工業(yè)設(shè)備中，各PLC廠家的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、銷售策略、市場占有方向各不相同，合并或兼并后，將會對最終用戶產(chǎn)生大的影響，因此在選擇時必須周全考慮。如選擇有造紙背景的PLC廠商、選擇與原DCS系統(tǒng)一致的PLC廠商等。